电磁仿真计算在大量实际工程问题中有着多样化的应用,例如目标识别与隐身技术、天线分析与设计、无线通讯与信号传播仿真等,如何寻找快速而准确的求解方法一直就是研究人员关注的主题。本文基于高频近似算法弹跳射线法(SBR,Shooting and Bouncing Ray),针对不同的计算目标,提出并实现了高效可行的求解方法和算法框架,扩大了弹跳射线法在实际问题中的综合应用范围。以SBR算法及其演进的自适应分裂光束跟踪(MADBT,Modified Adaptive Division Beam Tracing)算法为主导,对高低频混合算法SBR-MoM(Shooting and Bouncing Ray and the Method of Morments)分析复杂目标散射、高低频混合算法MLFMA-MADBT(Multilevel Fast Multipole Algorithm and Modified Adaptive Division Beam Tracing)分析复杂大平台上天线辐射、复杂室内场景信号覆盖仿真以及大型城市场景电磁信号覆盖仿真应用等四个问题都进行了深入研究,并给出了高效准确的求解方案。首先,本文提出了一种基于射线的高低频混合算法SBR-MoM,来计算包含电小结构的复杂电大目标的电磁散射特性。将需要精细剖分的电小结构部分划分为MoM区域,结构平滑的大平台区域归为SBR区域,提出了一种更为高效且易于实现的耦合交互机制。对于MoM区域,考虑来自SBR区域反射场或近区散射场的贡献,对于SBR区域,考虑了来自MoM区域多次反射场的耦合交互作用。该混合算法SBR-MoM充分结合了两种算法各自的优势,高效准确,特别适合用于计算含有细小结构的复杂电大目标的电磁散射。其次,本文提出了一种新的迭代高低频混合算法MLFMA-MADBT,可以快速准确地分析复杂电大平台上天线辐射。通过调用快速远场近似(FAFFA,Fast Far Field Approximation)和利用MLFMA算法具备的八叉树结构特性,可将MLFMA区域等效为位于该区域立方体包围盒中心点处点源。由MLFMA区域的等效点源构建生成初始源光束,将其投射到BT(BeamTracing)区域,再调用改进的自适应分裂光束跟踪算法MADBT,追踪光束与区域面片相交过程,获取有效相交光束并计算其对远场的贡献。在计算含有多次反射的平台目标时,应用MADBT算法可以准确直接地求解到平台上的多次反射场,相较于MLFMA-PO(Multilevel Fast Multipole Algorithm and Physical Optics)算法能够获取更高的精度。而且MADBT算法是基于光束的,相对于基于电流的PO算法而言,可以避免大量繁杂的矩阵向量乘积操作,同时可以节省大量用来存储矩阵元素的内存消耗。当MLFMA-MADBT算法分析计算光滑的平台或者包含有曲面结构的复杂平台时,MADBT算法中光束追踪过程仅和目标平台的几何结构相关,即与平台面片剖分精度无关(mesh-independent)。MLFMA-MADBT混合算法在求解复杂大平台上天线辐射时,相较于通用的MLFMA-PO算法来说,不仅在内存消耗方面有着绝对的优势,而且在计算精度和效率方面也表现突出。此外,本文给出了基于kd-tree加速的射线跟踪混合传播模型RL-Image(射线发射法Ray Launching和镜像法Image)技术在复杂室内场景中的信号覆盖仿真应用与实现。将发射源视为点源,从发射源向仿真场景发射采样源射线;在设定的交互次数(反射、透射)限制内,使用射线发射法(RL,Ray Launching)寻找所有潜在的可能传播路径,再使用镜像法(Image)找出真正有效的信号传播路径。所有路径确定后便可使用几何光学法(GO,Geometry Optics)、一致绕射理论(UTD,Uniform Theory of Diffraction)等电磁波传播理论公式跟踪该路径迭代计算得到最终传播到达接收点处的信号强度。本文算法主要基于混合传播模型RL-Image,充分发挥两者的优势,高效性和精确性。同时借助kd-tree空间加速结构算法来加速射线跟踪的核心运算,使得整体计算时间代价大大减少。最后,本文研究了基于改进的自适应分裂的光束跟踪算法MADBT在大型复杂城市场景中的信号覆盖仿真预测。将发射源视为点源构建初始源光束;在设定的交互次数(反射、透射、绕射等)限制内,对点源发出的每个源光束使用MADBT算法进行追踪,获取所有可能的光束传播路径,所有合法路径确定后再使用基于电磁波传播理论几何光学法(GO)、一致绕射理论(UTD)等公式计算接收点处的信号强度。首先,由于光束的空间全覆盖特性,克服了射线跟踪存在的采样误差、路径重复或遗失等精度损失问题,以及避免了射线管(ray-tube)跟踪存在的射线管分裂问题,保证获取路径的准确性。跟踪少量的光束而不是大量的采样射线,使得本文算法MADBT较射线跟踪算法计算效率更为高效。其次,通过划定局部场景,构建局部kd-tree,相较于全局kd-tree用来加速光束与面片相交测试更为快捷。此外,通过构建虚拟仿真平面(VSF,Virtual Simulation Face),能够更快确定光束路径能够到达的接收点,从而加速信号传播路径的生成。最后,基于仿真算法的高度可并行性,还可借助于计算机硬件资源,使用多机分布式MPI结合单机OpenMP的并行加速技术,可进一步提升仿真算法计算性能和计算规模。本文的研究工作主要基于弹跳射线法SBR及其演进光束跟踪算法MADBT,为高低频混合算法分析目标散射、辐射问题以及室内外电磁信号覆盖仿真应用提供了有效的解决方案。多个数值实验结果证明本文提出算法的准确性和高效性,为课题的进一步发展打下了坚实的基础。